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Prä­zi­se Mes­sun­gen für nega­ti­ve Emissionen

28. August 2023
in Energieeffizienz & Nachhaltigkeit, Fokus, Messtechnik & Analytik
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Prä­zi­se Mes­sun­gen für nega­ti­ve Emissionen

Grund­le­gen­de Maß­nah­men sind in allen Sek­to­ren not­wen­dig, um die welt­wei­te Kli­ma­neu­tra­li­tät bis 2050 zu erlan­gen und den glo­ba­len Tem­pe­ra­tur­an­stieg durch den Treib­haus­ef­fekt seit Beginn der Indus­tria­li­sie­rung auf 1,5 Grad zu begren­zen. Das Haupt­au­gen­merk der von fos­si­lem Koh­len­stoff abhän­gi­gen Indus­trien liegt dabei auf der Dekar­bo­ni­sie­rung durch die Ver­mei­dung oder das Redu­zie­ren von Emis­sio­nen mit­tels des Ein­sat­zes von Erneu­er­ba­ren Ener­gien, grü­nem Was­ser­stoff, Effi­zi­enz­stei­ge­run­gen und der Stär­kung der Kreis­lauf­wirt­schaft. Aller­dings wird das nicht genü­gen: Laut Welt­kli­ma­rat lässt sich die Erd­er­wär­mung nur ent­spre­chend begren­zen, wenn es zu nega­ti­ven Emis­sio­nen kommt, also der Atmo­sphä­re dau­er­haft CO2 ent­zo­gen wird. Etli­che Unter­neh­men welt­weit arbei­ten an sol­chen che­misch basier­ten Direct Air Cap­tu­re-Tech­no­lo­gien. „Ohne das Abschei­den und anschlie­ßen­de Spei­chern oder Nut­zen des Gases sind die Kli­ma­zie­le nicht erreich­bar“, betont Oli­ver Sei­fert, Mit­glied des stra­te­gi­schen Indus­trie­netz­werks Ener­gie und Kraft­wer­ke bei Endress+Hauser.

 

Neue Dimen­sio­nen

Koh­len­di­oxid ist auf diver­sen Wegen aus der Atmo­sphä­re ent­fern­bar. Zu den natur­ba­sier­ten Lösun­gen gehö­ren Auf­fors­tung, Koh­len­stoff­bin­dung durch spe­zi­el­le Land­be­wirt­schaf­tung im Boden oder die Pyro­ly­se von Bio­mas­se zu Bio­koh­le, die dann als Boden­ver­bes­se­rer wie­der­um in die Erde ein­ge­bracht wird. Da hier der Land­ver­brauch groß ist, ent­wi­ckeln etli­che Unter­neh­men neue tech­ni­sche Lösun­gen zur Abtren­nung von CO2 direkt aus der Umge­bungs­luft — so genann­te Direct Air Cap­tu­re- Ver­fah­ren (DAC). Das auf die­se Wei­se gewon­ne­ne hoch­rei­ne CO2 wird dann in geo­lo­gi­schen For­ma­tio­nen ein­ge­la­gert (Car­bon Direct Remo­val) oder direkt als kli­ma­neu­tra­ler Roh­stoff zur Her­stel­lung syn­the­ti­scher Kraft­stof­fe (SAF), von Che­mi­ka­li­en oder als Koh­len­säu­re in der Geträn­ke­indus­trie genutzt (CCU — Car­bon Cap­tu­re and Uti­liz­a­ti­on). 2022 waren laut der Inter­na­tio­na­len Ener­gie­agen­tur (IEA) welt­weit 18 klei­ne­re DAC-Anla­gen in Betrieb. Gera­de befin­det sich der DAC-Markt jedoch an der Schwel­le zum groß­tech­ni­schen Bereich: 2024 soll die ers­te Anla­ge mit einer Abschei­dungs­ka­pa­zi­tät von bis einer zu einer Mil­li­on Ton­nen CO2 jähr­lich in den USA starten.

 

In der Regel bestehen die ein­ge­setz­ten Ver­fah­ren zur direk­ten Luft-Abschei­dung von CO2 aus zwei Hauptschritten:

Zuerst wird die Umge­bungs­luft mit­tels Ven­ti­la­to­ren in Kol­lek­to­ren gesaugt, in denen das CO2 von den übri­gen Luft-Kom­po­nen­ten sepa­riert und che­misch an ein Trä­ger­ma­te­ri­al gebun­den wird (Cap­tu­re). Bei Solid-Air-Cap­tu­re-Ver­fah­ren (S‑DAC) sind das fes­te Ami­ne auf Fil­tern, flüs­sig­keits­ba­sier­te Liquid-Air-Cap­tu­re-Tech­no­lo­gien (L‑DAC) nut­zen dazu Amin- oder Hydro­xid­lö­sun­gen (Alka­li­lau­gen). Die rest­li­che Luft wird wie­der in die Umge­bung entlassen.

Danach wird das CO2 im so genann­ten Rege­ne­ra­ti­ons­schritt durch erheb­li­che Ener­gie­zu­fuhr in Form von Wär­me vom jewei­li­gen Sorp­ti­ons­mit­tel getrennt, so dass die­ses für einen neu­en Zyklus bereit­steht und das abge­schie­de­ne Gas nach­fol­gend gela­gert oder wei­ter­ver­wen­det wer­den kann.

 

Endress+Hauser hat die Ent­wick­lung die­ser Ver­fah­ren von Anfang an beglei­tet: „Wir ver­fü­gen über ein brei­tes Know-how in die­sem Anwen­dungs­be­reich mit Tau­sen­den von instal­lier­ten Sen­so­ren“, sagt Oli­ver Sei­fert.  „Genaue Mes­sun­gen sind nötig, um die auf che­mi­schen Ver­fah­ren basie­ren­den Pro­zes­se sicher und effi­zi­ent zu machen und ihren beson­de­ren Her­aus­for­de­run­gen zu begegnen.“

 

Ver­füg­bar­keit erhöhen

Bei­spiel Solid-Air-Cap­tu­re (S‑DAC): Hier bin­det sich das Koh­len­di­oxid an fes­ten Ami­nen auf Fil­tern im Inne­ren der Kol­lek­to­ren. Sind die­se nach rund zwei bis drei Stun­den gesät­tigt, wer­den die Kol­lek­to­ren von der Umge­bungs­luft getrennt und der Rege­ne­ra­ti­ons­zy­klus beginnt. „Der Dif­fe­renz­druck steigt durch die zuneh­men­de Sät­ti­gung der Fil­ter, daher ist eine Über­wa­chung die­ses Pro­zess­wer­tes ent­schei­dend“, sagt Oli­ver Sei­fert.  Zu die­sem Zweck kann eine Dif­fe­renz­druck­mess­zel­le wie die Endress+Hauser Del­ta­bar PMD55B ver­wen­det wer­den, die den Dif­fe­renz­druck (DP) direkt lie­fert. In ande­ren Anwen­dun­gen wird der Druck mit einer Druck­mess­zel­le sowohl am Ein­gang als auch am Aus­gang aller Kol­lek­to­ren gemes­sen. Wenn der Dif­fe­renz­druck einen bestimm­ten Wert über­schrei­tet, star­tet die Desorptionsphase.

 

 

 

Bedeu­tung der Temperatur

Vie­le Pro­zes­se rund um Direct Air Cap­tu­re beinhal­ten Hei­zen und Küh­len. „Hier ist die genaue Mes­sung der Tem­pe­ra­tur zur Über­prü­fung der Men­ge der wei­ter­ge­lei­te­ten Ener­gie wich­tig, um die Effi­zi­enz zu über­wa­chen und Ener­gie­bi­lan­zen zu erstel­len“, sagt Oli­ver Seifert.

 

Bei S‑DAC wird eine hei­ße Flüs­sig­keit auf Was­ser­ba­sis durch die Fil­ter gelei­tet, um die­se auf cir­ca 100 Grad Cel­si­us zu erhit­zen. Dadurch wird das CO2-Gas frei­ge­setzt. Die­ses und die Feuch­tig­keit wer­den abge­saugt, abge­kühlt und der CO2-Was­ser-Tren­nung zuge­führt. L‑DAC-Ver­fah­ren arbei­ten hin­ge­gen bei der Desorp­ti­on mit weit­aus höhe­ren Tem­pe­ra­tu­ren. Hier wird das CO2 im Kol­lek­tor zum Bei­spiel mit Kali­um­hy­dro­xid (KOH) aus der Luft aus­ge­wa­schen. Die so ent­stan­de­ne Kali­um­car­bo­nat (K₂CO₃)-Lösung wird in einen Reak­tor gelei­tet, in dem Pel­lets aus Cal­ci­um­hy­dro­xid (Ca(OH)2) mit ihr reagie­ren und fes­tes, feuch­tes Cal­ci­um­car­bo­nat (CaCO₃) bil­den. Im Zyklon­vor­wär­mer wird durch Trock­nung der Pel­lets Kalk­stein (tro­cke­nes Cal­ci­um­car­bo­nat). Die­ser wird in einen Kal­zi­nie­rer über­führt, dort auf rund 900 Grad Cel­si­us erhitzt, wodurch Brannt­kalk ent­steht und das ein­ge­fan­ge­ne CO2 wie­der frei­ge­setzt wird. Danach wird der Brannt­kalk (CaO) mit Was­ser zur Reak­ti­on gebracht, wobei wie­der­um Cac­li­um­hy­dro­xid ent­steht, das zurück zum Pel­lets-Reak­tor für den neu­en Zyklus gelangt. „Für die vibrie­ren­den Umge­bun­gen der Kal­zi­nier-Anla­gen wer­den typi­scher­wei­se Ther­mo­me­ter mit iTherm Strong­Sens-Tech­no­lo­gie ein­ge­setzt, selbst Stoß- und Schwin­gungs­fes­tig­keit von >60 Gramm kön­nen die­sen nichts anha­ben“, sagt Oli­ver Seifert.

 

Abschal­tun­gen vermeiden

Das bei DAC-Pro­zes­sen genutz­te Kühl- und Hei­zungs­was­ser muss über­wacht wer­den, um Pro­ble­me mit Kor­ro­si­on und so kost­spie­li­ge Abschal­tun­gen der DAC-Anla­gen zu ver­mei­den. Zu die­sem Zweck wer­den Para­me­ter wie pH-Wert, Leit­fä­hig­keit und gelös­ter Sauer­stoff (DO) über­wacht. „Bei flüs­sig­keits­ba­sier­ten Ansät­zen ist die Über­wa­chung des pH-Werts auch ein wich­ti­ger Para­me­ter, um die Men­ge des aus der Atmo­sphä­re aus­ge­wa­sche­nen CO2 zu bestim­men“, sagt Oli­ver Sei­fert.  Memosens‑2.0‑Sensoren von Endress+Hauser digi­ta­li­sie­ren den Mess­wert im Sen­sor und trans­fe­rie­ren ihn kon­takt­los zum Mess­um­for­mer. Das ver­hin­dert eine Ver­fäl­schung der Mess­wer­te durch Feuch­tig­keit und Kor­ro­si­on, sorgt für eine erhöh­te Ver­füg­bar­keit der Mess­stel­len und damit stö­rungs­freie Pro­zes­se. Neu kön­nen Memo­sens-Sen­so­ren jetzt das Acht­fa­che an Daten spei­chern, damit ebnen sie den Weg für vor­aus­schau­en­de War­tung und IIoT-Services.

 

Vor­rä­te verwalten

„Der Füll­stand spielt bei der Ver­wal­tung des erzeug­ten CO2 eine Rol­le, das in der Regel in flüs­si­ger Form gela­gert wird. Hin­zu kommt die Bestands­über­wa­chung der in den L‑DAC-Ver­fah­ren ver­wen­de­ten Lösun­gen“, erklärt Oli­ver Sei­fert. Vibro­nik-Grenz­schal­ter wie Liqui­phant bie­ten eine zuver­läs­si­ge Über­füll­si­che­rung, für kon­ti­nu­ier­li­che Füll­stän­de wer­den sowohl Dif­fe­renz­druck­sen­so­ren als auch Radar­mess­tech­nik verwendet.

 

Erfas­sung der CO2-Menge 

„Die aus der Atmo­sphä­re gewon­ne­ne CO2-Men­ge ist der wich­tigs­te Leis­tungs­in­di­ka­tor von Direct Air Cap­tu­re-Anla­gen“, sagt Oli­ver Sei­fert.  Für deren Erfas­sung gibt es eine Viel­zahl von Mög­lich­kei­ten: Liegt das CO2 vor der Abtren­nung von Was­ser als feuch­tes Gas vor, wer­den Wir­bel­strom­mess­ge­rä­te ein­ge­setzt. Der Pro­wirl F 200 etwa ver­fügt über eine Druck- und Tem­pe­ra­tur­kom­pen­sa­ti­on, um Mas­sen­durch­fluss und Norm­vo­lu­men­durch­fluss (zum Bei­spiel in Norm­ku­bik­me­ter) zu erzeu­gen. Liegt das CO2 als tro­cke­nes Gas vor, wer­den häu­fig ther­mi­sche Mas­se­durch­fluss­mess­ge­rä­te wie t‑mass 300/500 ver­wen­det. Die­se lie­fern direkt Mas­sen- und Norm­vo­lu­men­durch­flüs­se. Für die Mes­sung von flüs­si­gem oder über­kri­ti­schem CO2 ist Corio­lis eine gute Tech­no­lo­gie wel­che den Mas­sen­durch­fluss bezie­hungs­ei­se die Dich­te mit hoher Genau­ig­keit misst. „Die Dich­te ist ein beson­ders nütz­li­cher Para­me­ter, da sie es ermög­licht, die Qua­li­tät des erzeug­ten CO2 zu bestim­men. Die Ver­schlep­pung von uner­wünsch­ten Kom­po­nen­ten wie Was­ser kann so leicht erkannt wer­den“, erklärt Oli­ver Seifert.

 

Inves­to­ren und Natio­nen sehen Direct Air Cap­tu­re als Zukunfts­feld im Kampf gegen den Kli­ma­wan­del. Seit 2020 haben Regie­run­gen fast vier Mil­li­ar­den US-Dol­lar an För­der­mit­teln für DAC bereit­ge­stellt; eines der DAC-Star­tups hat eine hal­be Mil­li­ar­de Euro in einer Finan­zie­rungs­run­de ein­ge­sam­melt. Bis zur Wirt­schaft­lich­keit der Tech­no­lo­gie gibt es aller­dings noch vie­le Her­aus­for­de­run­gen zu lösen: Noch liegt der Preis pro abge­schie­de­ner Ton­ne CO2 laut Aus­sa­gen der DAC-Unter­neh­men je nach Ver­fah­ren bei 125 bis 800 US-Dol­lar. „Das rührt daher, dass die Kon­zen­tra­ti­on von Koh­len­di­oxid in der Atmo­sphä­re mit 0,04 Volu­men­pro­zent weit­aus nied­ri­ger ist als in Punkt­quel­len wie im Strom von Rauch­ga­sen. Dadurch ist das Abschei­den ent­spre­chend auf­wen­di­ger und ener­gie­in­ten­si­ver“, erklärt Oli­ver Sei­fert. Schät­zun­gen zufol­ge benö­ti­gen DAC-Tech­no­lo­gien 1400 bis 2500 Kilo­watt­stun­den an erneu­er­ba­rer Ener­gie, um eine Ton­ne CO2 aus der Atmo­sphä­re zu gewin­nen. Bis 2050 wol­len die Unter­neh­men den Ton­nen-Preis auf 41 bis 82 Dol­lar sen­ken. Gesche­hen soll das durch den groß­ska­li­gen Auf­bau der Ver­fah­ren, durch Ener­gie­op­ti­mie­run­gen und wei­te­re Pro­zess­ver­bes­se­run­gen. „Auch hier bil­den hoch­prä­zi­se Mes­sun­gen die Basis: Sie hel­fen, die Pro­zes­se bes­ser zu ver­ste­hen und so die Wir­kungs­gra­de der Anla­gen zu erhö­hen“, sagt Oli­ver Seifert.

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Tags: CO2-EmissionenDACEndress+HauserKohlendioxidTitel-Thema
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